具前级功因调整器之半桥LLC-谐振式电源转换器研制

具前級功因調整器之半橋LLC諧振式電源轉換器研製ANALYSISANDIMPLEMENTATIONOFAHALF-BRIDGELLCRESONANTCONVERTERWITHFRONT-ENDPOWERFACTORCORRECTION研究生：黃偉銓（Wei-ChiuanHuang）指導教授：李清元（Prof.Ching-YuanLee）大同大學電機工程研究所碩士論文ThesisforMasterofScienceDepartmentofElectricalEngineeringTatungUniversity中華民國九十八年一月January2009I摘要本文將設計及製作一個半橋LLC諧振式電源轉換器以提供大尺寸的液晶電源使用。在本文中以主動式昇壓式功因修正電路將工作於連續電流模式，使其能達到高功因，並且有效降低輸入電流諧波之要求。其後級之半橋LLC諧振式轉換器藉由推導電路阻抗、諧振電感比例值與品質因數得到轉移函數，以及利用適當的諧振電路的設計與切換頻率的調變的方式達到輸出電壓穩定，並且令功率開關具有零電壓切換之功用，以降低功率開關的切換損失。文中將會探討LLC串聯諧振式轉換器的工作模式、交流與直流特性分析作為諧振電路的設計與元件選用。最後實際製作一具有高功因的LLC諧振式電源轉換器，其轉換器輸入電壓為交流110V到230V，輸出直流容量為66V/7.27A，輸出瓦數為480W，並經由實驗結果來驗證其理論。IIABSTRACTThisthesispresentsahalf-bridgeLLCresonantconverterforlargescaleLCDTVpowersupply.Thecircuitconfigurationconsistsofaboostconverterforpowerfactorcorrectionandahalf-bridgeLLCresonantconverter.ThePFCcircuitoperatesincontinuouscurrentmodetoachieveahighpowerfactorandreducestheinputcurrentharmonic.ThetransferfunctionoftheLLCresonantconvertercanbeobtainedbyusingthecircuitimpedance,ratioofresonantinductance,andqualityfactor.Withproperselectionoftheresonanttankandmodulationoftheoperationswitchingfrequency,theproposedcircuitcanachievezerovoltageswitching(ZVS),stabilizetheoutputvoltage,andthenreducetheswitchingloss.Inaddition,theoperationmodesanddccharacteristicsarediscussedfordesigningtheresonanttank.Aprototypeofa480W-LLCresonantconverterhavingahighpowerfactorwithACinput110V~230VandDCoutput66V/7.27Aisconstructed.ExperimentalresultsoftheZVSprovethattheproposedcircuitcanachievetherequirements.III誌謝在就讀研究所期間有太多太多的感受，一路行來，點滴在心。很高興我在大同電機所學到的不僅僅是科學研究方法，在生活上學到做人處事的方法與態度。雖然這不是一部完美的論文，但這部論文的完成，要感謝的真的人很多，僅以此文表達我的誠摯謝意。首先要萬分感謝我的指導教授李清元老師在我的研究生涯中對課業、專業知識與待人處事各方面指導與勉勵，讓學生的視野更開闊。恩師對學生的關懷與照顧，誠非筆墨能形容，學生在此謹致上最高的謝意及感恩之情。以及口試委員林瑞禮教授與林長華教授撥冗費心審查，並提供精闢之批評和建議，使本論文更臻完善。另外，在此要非常特別感謝時德隆學長花了很多心思指導我的論文，費心指出我論文中的許多問題，也提供了許多實驗上所需的材料，讓我論文的基礎得以成型，並給予許多經驗和知識，在這其間能不斷的進步與成長，深表謝忱。研究過程中，感謝學長思浩、偉群、建宏、瑞賢的經驗傳授、幫忙與協助，才能讓實驗能夠順利進行，許多問題才得以解決，時時刻刻都使我感到無比的溫馨與感謝。同時，也要感謝學弟宗修與宏群在論文上的幫忙與討論，方能順利完成，還有同學家豪時時的鼓勵，令我難以忘懷。此外，感激同學建國在課業上的指導與協助。感謝陪伴我一起努力、一起歡笑，互相幫助的朋友與同學，我會好好珍惜。最後更要感謝父親黃頂成、母親李金玉的辛勤養育栽培，以及我的家人不時地加油與打氣，讓我無後顧之憂的完成碩士學位。感謝所有幫助過我的人，雖然我只是輕輕地鍵入你們的名字，請接受我心裡深深的感謝。雖然論文只有薄薄幾頁，但誠摯邀請你們與我分享這份喜悅。IV目錄中文摘要....................................................I英文摘要....................................................II誌謝.......................................................III目錄.......................................................IV圖目錄.....................................................VI表目錄....................................................VIII第一章緒論.................................................11.1研究背景....................................................................................11.2研究動機....................................................................................3第二章功率因數修正之簡介...................................62.1功率因數修正原理....................................................................62.2功率因數的定義........................................................................72.3功率因數修正電路拓撲............................................................92.3.1昇壓式轉換器功率因數修正方式...............................112.3.2功率因數修正設計方式...............................................12第三章LLC諧振式轉換器原理與分析..........................153.1LLC諧振式轉換器簡介...........................................................153.2LLC諧振式轉換器動作原理...................................................16V3.3LLC諧振式轉換器特性分析...................................................223.3.1直流特性分析...............................................................223.3.2操作區域之分析...........................................................243.3.3兩諧振電感比例值之探討...........................................253.4諧振槽參數設計......................................................................303.5零電壓切換之條件..................................................................34第四章半橋LLC諧振式電源轉換器設計架構........................................394.1功率因數修正級......................................................................394.2LLC諧振式轉換器...................................................................434.2.1LLC諧振槽設計............................................................434.2.2變壓器圈數比設計........................................................45第五章實驗結果..........................................................................................475.1功率因數修正級之實驗結果...................................................485.2LLC諧振式轉換器實驗結果...................................................55第六章結論..................................................................................................61參考文獻........................................................................................................62VI圖目錄圖1.1：兩級式電路架構....................................................................................................2圖2.1：全波橋式整流器波形............................................................................................7圖2.2：(a)不連續電感電流波形，(b)峰值電流控制法，(c)平均電流控制法............12圖2.3：連續式功因修正器的波形..................................................................................13圖3